給水全程控制系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上給水全程控制系統(tǒng)設計專業(yè)：自動化班級：B學號：B姓名：陳修鶴專心-專注-專業(yè)摘 要本文在討論給水調節(jié)系統(tǒng)的被控對象動態(tài)特性、熱工測量信號、調節(jié)機構特性的基礎上，分析了三沖量給水控制系統(tǒng)的結構及工作原理，提出了實現單元制給水全程控制系統(tǒng)應考慮的問題及控制方案。隨著鍋爐朝大容量、高參數發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制系統(tǒng)是必不可少的，它可以減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。對于大容量高參數鍋爐，其給水系統(tǒng)是非常復雜和完善的。針對目前發(fā)電廠給水系統(tǒng)的現狀及其存在的問題，結合發(fā)電廠300MW 機組配置 ,發(fā)電廠300MW 機組給水全程調節(jié)系統(tǒng)的構成原理和控制功能，分析了系

2、統(tǒng)的總體結構、工作原理、控制過程、系統(tǒng)切換方式、控制邏輯、調試及參數整定原則。 關鍵詞：給水全程，給水控制，控制系統(tǒng)，汽包水位，自動調節(jié)目 錄第一章 汽包水位全程控制的介紹目前，大型火電單元機組都采用機、爐的聯合啟動的方式，鍋爐、汽輪機按照啟動曲線要求進行滑參數啟動。具有中間再熱的單元機組多采用定壓法進行滑參數啟動。隨著機組容量的增大、參數的提高，在啟動和停機過程中需要監(jiān)視和操作的項目增多，操作的頻率也增高，采用人工調節(jié)已不適應生產要求，而必須在啟、停過程中也實現自動控制。所謂全程控制系統(tǒng)是指機組在啟停過程和正常運行時均能實現自動控制的系統(tǒng)。全程控制是相對常規(guī)控制系統(tǒng)而言的，全程控制包括啟?？?/p>

3、制和正常運行工況下控制兩方面的內容。常規(guī)控制系統(tǒng)一般只適用于機組帶大負荷工況下運行，在啟停過程或低負荷工況下，一般要用手動進行控制，而全程控制系統(tǒng)能使機組在啟動、停機、不同負荷工況下自動運行。以給水控制系統(tǒng)為例，常規(guī)串級三沖量給水系統(tǒng)只能在負荷達到額定負荷70%時，才能投入自動，在此以前全部為手動操作，而全程給水系統(tǒng)從鍋爐點火啟動開始便可以投入自動。第二章 給水控制對象的動態(tài)特性2.1 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性汽包水位是由汽包中的儲水量和水面下的汽泡容積決定的，因此凡是引起汽包中儲水量變化和水面下的汽泡容積變化的各種因素都是給水控制對象的擾動。其中主要的擾動有：給水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽

4、包壓力Pb、爐膛熱負荷等。給水控制對象的動態(tài)特性是指上述引起水位變化的各種擾動與汽包水位間的動態(tài)關系。汽包水位動態(tài)特性較為復雜，一是對汽包水位擾動有四個來源，二是“虛假水位”問題的存在，特別是后一個問題使得人們設計出“三沖量”給水控制系統(tǒng)。了解、掌握汽包水位動態(tài)特性是保證給水自動控制系統(tǒng)順利投入的基本要求。2.1.1 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性給水流量是調節(jié)機構所改變的控制量，給水流量擾動是來自控制側的擾動，又稱內擾。給水流量擾動下水位的階躍響應曲線如圖2.1 所示。當給水流量階躍增加W 后，水位H 的變化如圖中曲線H 所示。水位控制對象的動態(tài)特性表現為有慣性的無自平衡能力的特點。當給水流量

5、突然增加后，給水流量雖然大于蒸汽流量， 但由于給水溫度低于汽包內飽和水的溫度，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡容積減少，實際水位響應曲線可視為由H1 和H2 兩條曲線疊加而成，所以擾動初期水位不會立即升高。當水面下汽泡容積的變化過程逐漸平衡，水位就反應出由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升的趨勢，最后當水面下汽泡容積不再變化時，由于進、出工質流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。圖2.1 給水流量階躍擾動下水位響應曲線2.1.2 蒸汽流量擾動下水位的動態(tài)特性蒸汽流量擾動主要來自汽輪發(fā)電機組的負荷變化，屬外部擾動。在蒸汽流量D 擾動下水位變化的階躍響應曲線如圖2.2 所示。當蒸汽流量突

6、然階躍增大時，由于汽包水位對象是無自平衡能力的，這時水位應下降，如圖2.2 中H1 曲線所示。但當鍋爐蒸發(fā)量突然增加時，汽包水下面的汽泡容積也迅速增大，即鍋爐的蒸發(fā)強度增加，從而使水位升高，因蒸發(fā)強度的增加是有一定限度的，故汽泡容積增大而引起的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性來描述，如圖2.2 中H2 曲線所示。實際的水位變化曲線H 則為H1 和H2 的合成。由圖2.2 可以看出，當鍋爐蒸汽負荷變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式：在負荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升（反之，在負荷突然減少時，水位反而先下降），這種現象稱為“虛假水位”現象。這是因為在

7、負荷變化的初期階段，水面下汽泡的體積變化很快，它對水位的變化起主要影響作用的緣故，因此水位隨汽泡體積增大而上升。只有當汽泡體積與負荷適應而不再變化時，水位的變化就僅由物質平衡關系來決定，這時水位就隨負荷增大而下降，呈無自平衡特性。虛假水位現象與鍋爐參數及蒸汽負荷變化大小有關，對于100670t/h 中、高壓鍋爐，當負荷階躍變化10%時，虛假水位可達3040mm。圖2.2 蒸氣流量階躍擾動下水位響應曲線2.1.3 爐膛熱負荷擾動下水位的動態(tài)特性當燃料量擾動時，例如燃料量增加使爐膛熱負荷增強，從而使鍋爐蒸發(fā)強度增大。若此時汽輪機負荷未增加，則汽輪機側調節(jié)閥開度不變。隨著爐膛熱負荷的增大，鍋爐出口壓

8、力提高，蒸汽流量也相應增加，這樣蒸汽流量大于給水流量，水位應該下降。但是蒸發(fā)強度增大同樣也使水面下汽泡容積增大，因此也會出現虛假水位現象。燃料量擾動下的水位階躍響應曲線如圖2.3 所示，由圖可以看出，這種擾動下的“虛假水位”現象不太嚴重，這是因為蒸汽流量增加的同時汽壓也增大了， 因而使汽泡體積的增加比蒸汽流量擾動時要小，從而使水位上升幅度較小。另外， 由于蒸發(fā)量隨燃料量的增加有慣性和時滯，如圖2.3 虛線所示，這就導致遲延時間較長。對汽包水位的第四種擾動是汽包壓力的變化，汽包壓力對汽包水位的影響是通過汽包內部汽水系統(tǒng)在壓力升高時“自凝結過程” 和壓力降低時的“自蒸發(fā)”過程起作用的。圖2.3 燃

9、燒量階躍擾動下水位響應曲線上述四種擾動在鍋爐運行中都可能經常發(fā)生，給水流量擾動作為內部擾動，汽包水位對其響應的動態(tài)參數（、）是給水控制系統(tǒng)調節(jié)器參數整定的依據。蒸汽流量D、燃料量B 和汽包壓力Pb 擾動作為外部擾動，會造成水位波動。蒸汽流量D 和燃料量B 的變化是產生“虛假水位”的根源。所以在給水控制系統(tǒng)里常常引入D、B 信號作為前饋信號，以改善外部擾動時的控制品質，而這也是目前大型鍋爐給水控制系統(tǒng)采用三沖量或多沖量的根本原因。第三章 熱工測量信號鍋爐從啟動到正常運行的過程中，蒸汽參數和負荷在很大范圍內變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量測量的準確性受到影響。為了實現給水全程自動控制， 必須對

10、這些測量信號自動進行壓力、溫度校正（補償）。在實際應用時，補償公式中一些參數的確定要依據理論計算及現場調試綜合求取，通過動態(tài)補償回路確保上述信號在負荷變化時的精度。3.1 水位信號由于汽包中飽和水和飽和蒸汽的密度隨壓力變化，因而影響水位測量的準確性。這里擬考慮采用電氣校正回路進行壓力校正，即在差壓變送器后引入校正回路。圖3.1燃燒量階躍擾動下水位響應曲線 式子中：P為平衡容器輸出的差壓，c，w，s分別是平衡容器內水的密度，汽包內飽和水的密度，汽包內飽和蒸汽的密度。當L、A 一定時，水位h 是差壓和汽、水密度的函數。密度c . 與環(huán)境溫度有關， 一般可取60時水的密度。在鍋爐啟動過程中，水溫稍有

11、增加，但同時由于壓力也升高，兩種因素對c . 的影響基本上可抵消，即可近似地認為c . 是恒值。而飽和水和飽和蒸汽的密度w . 和s . 均為汽包壓力的函數。根據上式，即可實現水位的壓力自動校正功能。3.2 蒸汽流量信號過熱蒸汽流量測量通常采用標準噴嘴，這種噴嘴基本上是按定壓運行額定工況的參數設計，在該參數下運行時，測量精度是較高的。但在全程控制時，運行工況不能基本固定。當被測過熱蒸汽的壓力和溫度偏離設計值時，蒸汽的密度變化很大，這就會給流量測量造成誤差，所以要進行壓力和溫度的校正。一般可以按下列經驗公式進行校正：式子中，D-過熱蒸汽的流量，P-過熱蒸汽的壓力，T-過熱蒸汽的溫度，P-節(jié)流件差

12、壓，K-流量系數。為了避免高溫高壓節(jié)流元件因磨損帶來的誤差，美國Leeds & Northrup 公司提出了用汽機調節(jié)級壓力P1 的溫度補償信號來代替蒸汽流量信號，如圖3.2 所示。實驗證明，這種方法是準確和行之有效的。3.3 給水流量信號計算和試驗結果表明：當給水溫度為100不變，壓力在0.19619.6MPa 范圍變化時，給水流量的測量誤差為0.47%；若給水壓力為19.6MPa 不變，給水溫度在100290范圍內變化時，給水流量的測量誤差為13%。所以，對給水流量測量信號可以只采用溫度校正，如圖3.2所示。若給水溫度變化不大，則可不必對給水流量測量信號進行校正。圖3.2 用P1代替蒸汽流

13、量信號及給水流量溫度矯正第四章 調節(jié)閥和調速泵的特性當機組容量很大時,用調節(jié)門的開度控制給水流量時,因給水調節(jié)門的節(jié)流而造成的能量損耗也隨之增大。而且高壓水流對調節(jié)閥的沖擊也不可忽視。為了降低損耗提高機組的效率，延長設備的使用壽命，往往采用調節(jié)給水泵的轉速的方法來控制給水流量?；蛘叩拓摵蓵r用調節(jié)門控制給水量，高負荷時用泵的速度控制。因此有必要對調節(jié)閥門的靜特性和調速泵的安全特性進行了解。4.1調節(jié)閥門的靜特性調節(jié)閥靜特性的好壞直接影響到控制系統(tǒng)的調節(jié)品質。一般控制系統(tǒng)對閥門靜特性的要求主要體現在以下六個方面23。在條件允許的情況下應進行調節(jié)閥靜特性試驗，以保證控制系統(tǒng)能正常投入運行。 最大流量

14、：在調節(jié)閥門全開時，其流量應滿足額定負荷的要求，并應具有10%30%的裕量； 漏流量：調節(jié)閥門全關時，其漏流量一般應要求小于調節(jié)門最大流量的10%； 線性工作段：一般要求調節(jié)閥門特性曲線的線性工作段應大于全行程的70%；線性比：在調節(jié)閥開度為15%85%的范圍內，最大斜率與最小斜率之比不超過2； 回程誤差：一般應小于最大流量的3%；飽和區(qū)：流量變化的飽和區(qū)應出現在開度85%以上的范圍內。4.2調速泵的安全特性現代大型單元機組從考慮節(jié)能及經濟性角度出發(fā)都采用變速泵來控制給水流量。300MW 以下的單元機組多采用電動變速泵作主給水泵，通過調整液力聯軸器的勺管位置來調節(jié)泵的轉速。300MW 以上的單

15、元機組多采用汽動變速泵作主給水泵，再配置多臺電動變速泵作啟動給水泵并作為系統(tǒng)的備用泵使用。無論使用哪種變速泵，在給水系統(tǒng)全過程運行中，保證給水泵總是工作在安全工作區(qū)內，始終是一個重要問題。變速給水泵的安全工作區(qū)可在泵的流量-壓力特性曲線上表示出來，如圖4.1 所示。變速泵的安全工作區(qū)由六條曲線圍成：泵的最高轉速曲線Nmax 和最低轉速曲線Nmin；泵的上限特性曲線Qmin 和下限特性曲線Qmax；泵出口最高壓力Pmax 和最低壓力線Pmin。圖4.1 變速泵的流量-壓力特性曲線若泵的工作點在上限特性之外，則給水流量太小，將使泵的冷卻水量不夠而引起泵的汽蝕，甚至振動；若泵的工作在下限特性之外，則

16、泵的流量太大，將使泵的工作效率降低。此外，變速泵的運行還必須滿足鍋爐安全運行的要求，即泵出口壓力（給水壓力）不得高于鍋爐正常運行的最高給水壓力Pmax 且不得低于最低給水壓力Pmin。因此，采用變速泵的給水全程控制系統(tǒng)，在控制給水流量過程中，必須保證泵的工作點落在安全區(qū)域內。防止出現這種情況，最有效的措施是低負荷時增加給水泵的流量。目前采取的辦法是在泵的出口至除氧器之間安裝再循環(huán)管道，當泵的流量低于設定的最小流量時，再循環(huán)門自動開啟，增加泵體內的流量，讓一部分水回到除氧器中，從而使低負荷階段的給水泵工作點也在上限特性曲線之內，隨著機組負荷的增加，給水流量也增大，當泵的流量高于設定的最大流量時，

17、再循環(huán)門將自動關閉。第五章 控制過程分析5.1水位調節(jié)主回路及電動給水泵跟隨系統(tǒng)汽包水位主要由汽包的給水和汽包的蒸發(fā)組成，汽包的水位的調節(jié)主要由給水泵的轉速來調整給水流量，給水流量屬于副回路可以消除汽輪機負荷和鍋爐負荷產生的壓力的變化對給水流量的擾動。圖5.1 水位調節(jié)主回路及電泵給水跟隨副回路 圖5.1中氣壓補償后汽包水位反饋與設定值比較作為主調節(jié)器PI的兩個輸入。反饋來的調速級的壓力輸入PI調節(jié)器作為輔助控制，調速級的壓力受閥門的開度的影響保證水泵工作在安全工作區(qū)。省煤器前的給水流量包含進入汽包的給水和過熱器減溫器的給水。所以省煤器前的給水作為總的給水能比較精確的得出汽包的給水流量，而不用

18、考慮給水泵的壓力變化，過熱后水中含有氣泡的誤差。省煤器的給水作為控制水位的最最要的參數，調速級壓力主要保護水泵安全和給回的品質。5.2汽動給水泵副回路控制系統(tǒng) 汽泵作為給水可以提高發(fā)電效率，汽泵直接將內能轉化為機械能，所以比電動給水泵效率高很多，但在啟動時鍋爐汽壓低，所以僅啟動和停機時用電動給水泵給水，同時電動給水泵作為汽動給回泵的備用給水也增加系統(tǒng)的可靠性。一般負荷超過30%時都用汽泵。圖5.2 汽動給水副回路系統(tǒng)汽動給水泵的調節(jié)與電動給水泵類似，有手自動無擾切換調節(jié)閥信號上下限幅，調節(jié)閥失靈信號，流量品質檢測，汽泵大偏差和差流量品質自動切換到到手動。由圖可知自動調節(jié)自動切手動可能是自動調節(jié)

19、器失靈，自動調節(jié)品質差時或調節(jié)閥失靈都會觸發(fā)自動切手動。5.3鍋爐單沖量三沖量無擾切換和汽泵轉速控制系統(tǒng)鍋爐的啟動時要從單沖量自動的無擾切換到三沖量給水調劑系統(tǒng)，還包括在單沖量和三沖量手制動切換的跟蹤。汽泵可以作為自動跟蹤的執(zhí)行器，也可以作為手動遠程調速當自動失靈或自動品質較差時。圖5.3 給水單沖量與三沖量無擾切換與汽動給水泵轉速控制 由圖可以知道當主汽流量小于X%時是單沖量，沒有手動時，三沖量跟蹤單沖量。當流量大于X%時，單沖量跟蹤三沖量，形成了單沖量與三沖量的無擾切換。汽動給水泵的轉速可以遠程調速，也可以作為控制水位的主要執(zhí)行器。5.4流量測量信號給水泵的水和省煤器入口的水都是未飽和水，

20、影響測量的最大的因素是溫度，所以給水泵出口流量和省煤器入口流量都是有溫度補償的。 圖5.4 給水流量測量信號 省煤器前的給水一部分進入汽包作為水冷壁的減溫水，另一部分作為過熱器的減溫水。所以省煤器入口給水流量是鍋爐的最終負荷。省煤器入口的水流量在啟動時還會有一部分水作為鍋爐的排污直接排出。大選小選器對主給水的溫度和壓力品質監(jiān)控，當主給水流量壞品質時，自動品質差，切換到手動狀態(tài)。5.5旁路輔助及保護回路汽包的水位因為水冷壁帶氣泡的因素所以受壓力變化影響較大所以水位用壓力補償，來提高水位的測量精度。當發(fā)生主蒸汽流量過小時圖5.5 給水流量測量信號汽包水位采用大選小選器，去掉最小和最大的誤差較大，防

21、止有一個水位或氣壓系統(tǒng)損壞影響整個鍋爐的控制品質。當汽包水位偏差大時，會認為自動調節(jié)器失敗，自動切換到手動狀態(tài)。當調節(jié)閥位置偏差大時發(fā)出調節(jié)閥失靈信號。當自動調節(jié)品質差時，旁路調節(jié)閥手動可以降低系統(tǒng)參數起保護作用。當低負荷運行時旁路回路可以保證水泵工作在安全經濟區(qū)范圍。5.6汽包水位自動失靈切手動保護如果一些設備故障或測量參數誤差較大時，自動控制程序可能控制品質變差，或不能很好控制水位，就需要將自動調節(jié)自動切換到手動調節(jié)。圖5.6 汽包水位自動手動切換當電泵的自動參數變壞時，系統(tǒng)將自動切到手動控制電泵。當A或B汽泵的控制品質變壞時將A或B汽泵切換到手動狀態(tài)。當汽包水位或省煤器入口水的參數品質變

22、壞時，將所有給水泵切換到手動調節(jié)狀態(tài)，并實現手動到自動之間切換的無擾切換。結 論給水控制系統(tǒng)的最終目的是維持汽包水位在規(guī)定的范圍內。因為水位過高，影響汽水分離，水位過低引起水冷壁的燒壞。準確點的控制水位，要控制的擾動有給水量擾動，蒸汽負荷擾動，爐膛熱負荷擾動和汽包壓力的擾動。給水在低負荷時由于溫度和壓力參數比較低，汽包內的虛假水位的現象不明顯對鍋爐的水位的精度要求不高所以采用但沖量控制的方式，當負荷較大時虛假水位嚴重而且鍋爐的參數較高，要有對汽包的水位有較高的精度，采用串級三沖量控制。低負荷時采用電動給水泵因為鍋爐的壓力還不能啟動汽動給水泵，當鍋爐負荷較高時啟動汽動給水泵，電動給水泵關閉作為備

23、用，可以提高發(fā)電效率。給水的流量由兩部分組成，一部分進入汽包的給水，另一部分是噴水減溫器的流量。汽包的給水由于受壓力影響較小，受溫度的影響較大，所以流量需要溫度的補償。蒸汽的流量信號由主蒸汽的流量和旁路蒸汽的流量組成。蒸汽的流量測量一般用壓力代替加上溫度的補償間接測量而不是直接的測量，因為直接的測量會產生較大的節(jié)流損失。水位的測量因為水位由水冷壁的氣泡和汽包的水位構成所以汽包水位的測量要用壓力的補償氣泡體積的變化對水位的影響。給水泵作為給水控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行器對系統(tǒng)的設計比較的重要。汽包的水位通過改變泵的轉速控制給水泵以達到水位的穩(wěn)定。泵的出口壓力控制通過給水調節(jié)閥的開度控制給水泵的出口壓力，以保證泵在經濟安全區(qū)域內運行。泵的最小流量控制系統(tǒng)通過控制泵的再循環(huán)閥門的開或關，保證通過泵的流量不低于泵所規(guī)定的最小流量。之所以才采用變速給水泵一方面可以減小調節(jié)閥的壓力另一方面可以增加調節(jié)閥的壽命，另一方面可以減少給水